Construcción y análisis de una vivienda solar activa adecuada al

Construcción y análisis
de una
vivienda solar activa
adecuada al medio rural
de la sierra peruana
-
Magí
Magíster en energí
energía Luciano Ré
Ré
Técnico mecá
mecánico Beltrá
Beltrán Jordá
Jordán Guzmá
Guzmán
Técnico electró
electrónico Carlos Vera Medina
Técnico electró
electrónico Roger Flores Sapacayo
Bachiller en mecá
mecánica Jorge Montañ
Montaño Vá
Vásquez
C
F
C
Resumen
A. Presentación institucional
B. Situaciones de vida
C. Situación energética y medio-ambiental
D. Tecnologías aplicadas
- I.
- II.
- III.
- IV.
- V.
- VI.
- VII.
- VIII.
La vivienda solar activa
Análisis térmica
Toma de medidas en continuo
El sistema de agua y desague
El fogón mejorado
El sistema fotovoltaico domiciliario (SFD)
La ducha solar
Costos de la casa solar activa
E. Imágenes
F. Conclusiones y agradecimientos
A. Presentación institucional
Responsable :
Formación:
Institución:
- Ing. Luciano Ré (Suiza)
- Ing. mecánico, magíster en energías
- Misión Belén de Immensee (ONG Suiza)
- Centro de Formación Campesina
de la Prelatura de Sicuani (ONG Perú)
Duración proyecto: - 6 años, en su 5° año de ejecución
Dirección:
- Yauri / Espinar, Calle Bolívar N° 500
Dpto. Cusco, Perú
Tel. / Fax:
- 084 30 13 54
e-mail:
- [email protected]
Pagina web:
- www.taller-inti.org
Personal:
- Técnico mecánico Beltrán Jordán Guzmán
- Técnico electrónico Carlos Vera Medina
- Técnico electrónico Roger Flores Sapacayo
- Bachiller en mecánica Jorge Montaño Vásquez
B. Situaciones de vida
Ubicación :
- Provincia de Espinar
una de las trece del Departamento Cusco
Altitud :
- en promedio 4,000msnm
División política : - Ocho distritos
Recursos :
- el 38% de la población vive en situación de
extrema pobreza (IMA 1’999)
Problemáticas :
Tuberculosis
Bronquitis
Neumonía
Disentería
Infecciones intestinales
Mortalidad infantil 128‰
Causas :
Escasa higiene
Mala alimentación
48% de niños desnutridos crónicos
Educación precaria
Estadisticas de desarrollo humano
en la provincia de Espinar
Parámetros
Población
Índice de
Desarrollo Humano
Esperanza de Vida
al nacer
Alfabetismo
Matriculación
Secundaria
Logro Educativo
Ingreso familiar
percápita
Variables
1993
2000
2003
Habitantes
58,645
63,360
67,941
Ranking
84
87
86
IDH
0.441
0.517
0.507
Ranking
119
107
113
Años
56.29
63.70
65.5
Ranking
167
151
148
%
73.5
83.7
83.7
Ranking
129
89
94
%
51.8
67.9
73.6
Ranking
98
110
106
%
66.27
78.4
77.0
Ranking
117
95
99
N.S./mes
79.08
221.8
193.5
Ranking
74
96
140
194 Provincias a nivel Nacional
Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades
Estadisticas de desarrollo humano
por distrito en la provincia de Espinar
Parámetros
Población
Índice de DesarDesarrollo Humano
Esperanza de
Vida al nacer
Alfabetismo
Matriculación
Secundaria
Logro Educativo
Ingreso familiar
percápita
Variables
Espinar
Condoroma
CoporaCoporaque
Occoruro
Pallpata
Pichigua
SuykuSuykutambo
Alto
Pichigua
Habitantes
33,508
1,118
14,939
2,244
5,885
4,890
3,418
1,939
Ranking
146
1612
341
1328
784
889
1104
1402
IDH
0.5591
0.4668
0.427
0.419
0.527
0.458
0.376
0.529
Ranking
670
1409
1644
1671
910
1456
1792
896
Años
67.2
62.4
63.6
62.3
63.9
66.0
63.2
65.6
Ranking
1033
1660
1550
1669
1515
1234
1594
1300
%
94.1
79.7
71.5
84.3
78.0
66.6
65.1
89.2
Ranking
226
1107
1437
860
1183
1584
1620
536
%
87.0
63.8
49.8
42.8
89.2
59.6
31.0
81.8
Ranking
685
1252
1535
1653
612
1345
1771
841
%
89.4
69.1
57.1
56.6
85.5
61.9
42.4
84.3
Ranking
485
1242
1563
1575
669
1436
1788
714
N.S./mes
N.S./mes
202.5
214.4
177.9
181.3
201.5
187.4
179.5
177.9
Ranking
1157
992
1469
1428
1176
1365
1449
1468
1,828 distritos a nivel nacional
Fuente: INEI: Mapa de Potencialidades
C. Situación energética y medio-ambiental
Energía solar :
- 2’200 [kWh/m2 año] global horizontal,
durante los próximos 5’000 millones de años
Energía equivalente : - Quemado de 2kg de leña por m2 y por día
- Energía constante durante todo el año
Energía en uso :
- Quemado de bosta (7kg por familia y por día)
leña, gas y kerosene
Energía calorífica : - Cocción de alimentos, calentamiento de agua
Pastos :
- Suelos pobres, sin abono
- 71% de la superficie de la provincia, pradera
- 8% de la superficie de la provincia, áreas de
cultivo
Forestación :
- 0.16% de la superficie de la provincia son
bosques naturales
Petróleo :
- Desde 1’986 Perú es importador de petróleo
- En “2020”? se terminarán todas las reservas de
petróleo en el Perú
Gas de Camisea:
- 20 / 30 años? Cusco? Arequipa? EE.UU?
D. Tecnologías aplicadas
I. La Vivienda solar activa:
- El cuerpo humano se siente bien, “cómodo”, entre 18[°C] y 28[°C]
con
una humedad relativa que varía entre los 20[%] y 50[%]
- El aire no debe de moverse a más de 0.1[m/s] para no provocar
sensaciones de frío por de bajo de los 25[°C]
- Una casa del siglo XXI debe de contar con los servicios básicos
. Agua
. Desague
. Sistema de cocción y calefacción
. Electricidad
. Sistema de agua templada
- Mejorar la situación climática al interior del hogar
- Mejorar la dinámica familiar al interior de la casa
- Cosechar y almacenar la energía del sol en el adobe
- Trabajar a través de tragaluces activos, uno en cada cuarto
- El involucro habitativo está aislado con aire
- Alcanzar temperaturas entre 22°C y 12°C día y noche
- Materiales sencillos, biodegradables, barro, paja, esteras, madera, piedras
- En total 18 bolsas de cemento, tarrajeo 60%barro y 40% arena
- Existen modelos de construcciones antisísmicas en adobe (UNSA Arequipa)
235cm
335cm
Planta
21
j un
(5
2
)
e (85)
io
80cm
200cm
80cm
210cm
335cm
21 diciembr
95cm
120cm
80cm
21
2121 diciembre (85)
jun
io
(5
2)
jun 21 diciembre (85)
io
(5
2)
25cm
Elevaciones
Coefficientes lambda λ
II. Análisis térmica:
Ejemplo :
Perdidas
relativas
[W/K]
Temp. Interna
Temp. Externa
Temp. Suelo
Objeto
Paredes
Ventanas
Ventanas dobles
Puertas
Puertas aisladas
Techo aislado
Tragaluces
Piso
Total estandard
Total mejorado
Metal
Adobe
Vidrio
Calamina
Cemento
Aire
Technopor
Rollizo
Paja
18 [°C]
-5 [°C]
4 [°C]
Pérdidas
[W/K]
75.0
26.9
11.1
14.9
3.2
4.9
5.2
16.9
143.8
116.3
60.000 [W/mK]
0.800 [W/mK]
1.028 [W/mK]
60.000 [W/mK]
1.700 [W/mK]
0.024 [W/mK]
0.038 [W/mK]
0.060 [W/mK]
0.060 [W/mK]
Diff.
Diff. Temp.
Diff.
Diff. Temp.
23 [K]
14 [K]
Perdidas
reales
[W]
Objeto
Paredes
Ventanas
Ventanas dobles
Puertas
Puertas aisladas
Techo aislado
Tragaluces
Piso
Total estandard
Total mejorado
Pérdidas
[W]
1'726.0
618.7
255.3
342.2
73.1
112.4
120.6
387.8
3'307.7
2'675.1
To
tal
es
tan
da
rd
To
tal
me
jor
ad
o
Pi s
o
ga
luc
es
Tra
Te
ch
oa
isla
do
ad
as
Pu
e rt
as
ai s
l
Pu
e rt
as
Ve
n ta
na
sd
ob
le s
Ve
n ta
na
s
Pa
red
es
Pertas [W]
3'400.0
3'200.0
3'000.0
2'800.0
2'600.0
2'400.0
2'200.0
2'000.0
1'800.0
1'600.0
1'400.0
1'200.0
1'000.0
800.0
600.0
400.0
200.0
0.0
Teóricamente, para lograr y mantener una temperatura interna de 18[°C
18[°C]] con una temperatemperatura externa de -5[°C
°C]
]
es
suficiente
desarrollar
una
potencia
calorífica
de
alrededor
de
5[
3’000[W], lo que vamos a lograr con el fogón mejorado quemando un
un kilo de leña por hora
durante las tres o cuatro horas de la noche antes de ir a la cama
cama (de 18.00 a las 22.00)
-10
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Text.
-2
-4
-12
-14
-6
-16
-10
-8
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
Sin tragaluces
0 9 .3 1
1 0 .5 1
1 2 .1 1
1 3 .3 1
1 4 .5 1
1 6 .1 1
1 7 .3 1
1 8 .5 1
2 0 .1 1
2 1 .3 1
2 2 .5 1
0 0 .1 1
0 1 .3 1
0 2 .5 1
0 4 .1 1
0 5 .3 1
0 6 .5 1
0 8 .1 1
0 9 .3 1
1 0 .5 1
1 2 .1 1
1 3 .3 1
1 4 .5 1
1 6 .1 1
1 7 .3 1
1 8 .5 1
2 0 .1 1
2 1 .3 1
2 2 .5 1
0 0 .1 1
0 1 .3 1
0 2 .5 1
0 4 .1 1
0 5 .3 1
0 6 .5 1
0 8 .1 1
0 9 .3 1
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
-2
-4
-6
-8
0 9 .2 8
1 0 .4 8
1 2 .0 8
1 3 .2 8
1 4 .4 8
1 6 .0 8
1 7 .2 8
1 8 .4 8
2 0 .0 8
2 1 .2 8
2 2 .4 8
0 0 .0 8
0 1 .2 8
0 2 .4 8
0 4 .0 8
0 5 .2 8
0 6 .4 8
0 8 .0 8
0 9 .2 8
1 0 .4 8
1 2 .0 8
1 3 .2 8
1 4 .4 8
1 6 .0 8
1 7 .2 8
1 8 .4 8
2 0 .0 8
2 1 .2 8
2 2 .4 8
0 0 .0 8
0 1 .2 8
0 2 .4 8
0 4 .0 8
0 5 .2 8
0 6 .4 8
0 8 .0 8
0 9 .2 8
III. Toma de medidas en continuo:
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
Text.
2
Tm interna
0
Delta T
-2
-4
-6
-10
-8
-12
-14
-16
-18
Con tragaluces
26
24
22
20
18
16
14
12
Tm interna
10
8
Text.
Tm interna
Delta T
6
4
Delta T
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
0 9 .2 2 h
0 8 .0 2 h
0 6 .4 2 h
0 5 .2 2 h
0 4 .0 2 h
0 2 .4 2 h
0 1 .2 2 h
0 4 .5 0 h
2 2 .4 2 h
2 1 .2 2 h
2 0 .0 2 h
1 8 .4 2 h
1 7 .2 2 h
1 6 .0 2 h
1 4 .4 2 h
1 3 .2 2 h
1 2 .0 2 h
1 0 .4 2 h
0 9 .2 2 h
0 8 .0 2 h
0 6 .4 2 h
0 5 .2 2 h
0 4 .0 2 h
0 2 .4 2 h
0 1 .2 2 h
0 4 .5 0 h
2 2 .4 2 h
20
2 1 .2 2 h
22
2 0 .0 2 h
24
1 8 .4 2 h
1 7 .2 2 h
1 6 .0 7 h
1 4 .4 7 h
1 3 .2 7 h
1 2 .0 7 h
1 0 .4 7 h
0 9 .2 7 h
Con tragaluces y fogón
26
Fogón, quemado 2kg de leña
prendido 17.45
apagado 19.15
18
16
14
12
10
Text.
8
Tm interna
6
Delta T
4
2
0
IV. El sistema de agua y desague:
- El agua es fuente de vida
- Fuente de agua propia (manantial)
- Tres diferentes sistemas de bombeo, 2 solares y una bomba de ariete
ariete
- Sistema de tanque de 140[l] sobreelevado,
- Tres piletas, jardín, baño y cocina
- Un inodoro y una ducha solar de 70[l] instalados
- Las aguas servidas vienen colectadas en una poza aséptica de 2m3
60.00
6.00
5.90
50.00
5.80
5.70
40.00
5.60
5.50
30.00
5.40
20.00
5.30
5.20
10.00
Potencia hidraulica
[W hidr.]
Potencia Electrica
[W el.]
Eficiencia [%]
Portada [l/min]
5.10
5.00
0.00
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Características de la bomba a pistones Shurflo:
Shurflo:
- 12[V] DC, 7[A], H=50[m], Q=6.5[l/min
Q=6.5[l/min]]
- Flujo de bombeo casi constante entre los 5.5 y 5.9[l/min
5.9[l/min]]
- Eficiencia hasta 25% con una altura de bombeo de 13[m]
- Posibilidad de bombeo sin panel, solo con batería de 68[Ah]
- Sistema de captación relativamente simple
- La bomba tiene un costo de unos 260.260.-USD
Altura de bombeo [m]
70.00
12.00
60.00
10.00
50.00
8.00
40.00
6.00
Potencia hidraulica
[W hidr.]
4.00
Potencia Electrica
[W el.]
30.00
20.00
10.00
2.00
0.00
0.00
Eficiencia [%]
Portada [l/min]
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Altura de bombeo [m]
12.00
40
Bomba de ariete
11/2" - 3/4"
caida
entrada 2[m]
8.00
35
10.00
30
25
20
6.00
15
eficiencia
bombeo [%]
4.00
Portada
[l/min]
10
5
2.00
0
0.00
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Eficiencia [%]
-Características de la bomba a pistones Flojet:
Flojet:
- 12[V] DC, 7[A], H=25[m], Q=12.5[l/min
Q=12.5[l/min]]
Flujo de bombeo casi constante entre los 8 y 11[l/min
11[l/min]]
- Eficiencia hasta 35% con una altura de bombeo de 13[m]
- Posibilidad de bombeo sin panel, solo con batería de 68[Ah]
- Potencia hidraulica de hasta 22[W]
- Sistema de captación relativamente simple
- La bomba tiene un costo de unos 300.300.-USD
Altura de bombeo [m]
-Características de la bomba de ariete:
- H=13[m], Q=5[l/min
Q=5[l/min]]
- No necesita el suministro de ningún tipo de energía
- Hasta un 85% del agua no viene elevada
- Sistema de captación relativamente complicado
- La bomba tiene un costo de unos 200.200.-USD
V El fogón mejorado:
- Mejora de la armonía familiar
- Expulsión de los humos tóxicos
- Recuperación de la energía térmica de los humos de escape
- Buena eficiencia térmica
- Tres hornillas, una chimenea, un recogedor de cenizas
Análisis térmica del fogón mejorado:
- Quemado de 2[kg
2[kg]] de leña
- Hervir un litro de agua en 15[min
15[min]]
- Hervir un litro de agua durante una hora y media
- Mientras que la temperatura del fogón sube, la temperatura de la
la chimenea queda en 35[°C
35[°C]]
- Casi toda la energía térmica sirve para cocinar y calentar la casa
casa (eficiencia elevada)
Temperaturas chimenea
T1
T2
T3
To1
To2
To3
1 7 .0 0
1 7 .0 8
1 7 .1 6
1 7 .2 4
1 7 .3 2
1 7 .4 0
1 7 .4 8
1 7 .5 6
1 8 .0 4
1 8 .1 2
1 8 .2 0
1 8 .2 8
1 8 .3 6
1 8 .4 4
1 8 .5 2
1 9 .0 0
1 9 .0 8
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
130.00
120.00
110.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
T4
T5
T6
T7
T8
1 7 .0 0
1 7 .0 8
1 7 .1 6
1 7 .2 4
1 7 .3 2
1 7 .4 0
1 7 .4 8
1 7 .5 6
1 8 .0 4
1 8 .1 2
1 8 .2 0
1 8 .2 8
1 8 .3 6
1 8 .4 4
1 8 .5 2
1 9 .0 0
1 9 .0 8
Temperaturas agua y fogón
VI. El Sistema Fotovoltaico Domiciliario (SFD):
Panel
Fotovoltaico
51Wp/12VDC
36 celdas
+
2
- La energía es la sangre de la economía
- La energía es una llave para el desarrollo
- Ayudar a mejorar los logros educativos
- Mejorar el habito de lectura
- Formación de una conciencia ciudadana
- Reducir la tasa de incendios
- Utilizar aparatos de multimedia
- Activar sistemas de cerco eléctrico
- Bombear agua
- Costo no superior a los 500.500.-USD por SFD
Conexiones:
Regulador de carga
12VDC/10A
1. Bateria - Regulador
2. Panel - Regulador (Cable Nro12)
3. Caja de conexiones - Regulador
4. Lamparas, Radio, TV b/n - Caja de conexiones
Desde el regulador, en la instalacion se utilizan
cables Nro14.
Las letras indican la polaridad positiva +
Carga
+ -
+ -
+ -
1
+
-
Bateria
53Ah/12VDC
4
3
- + +
+
+
Lampara Lampara Lampara
TV
1
2
3
+
Convertidor
DC-DC
rojo
Caja de conexiones
5 salidas con fusibles
4x2.5A/1x2A
1x 3/4.5/6/7.5/9VDC
3 Lamparas de luz blanca
11W/7'000h de vida
Lampara Lampara Lampara
3
2
1
negro
VII. La ducha solar:
- La falta de aseo o una forma inadecuada de aseo son
causas de enfermedades
- El aseo personal con agua fría no es recomendable
- La ducha se compone de un tanque de 70[l] (o 27[l]) de
lata galvanizada pintada de negro que actúa como ababsorbedor del espectro solar, un armazón de madera, un
plástico que produce el efecto invernadero, una tubería
Hydro (PE) que resiste a la helada y los rayos UV
- 85[l] de agua a 34[°C
34[°C]]
- 42[l] de agua a 40[°C
40[°C]]
- Eficiencia térmica de: η27l 51% y η70l 58%
- Agua caliente entre las 09.00 y las 22.00 todo el año
- Costo no superior a los 60.60.-USD
Temperaturas tanques 70[l] y 27[l]
90.00
85.00
80.00
70.00
T1 70
65.00
T2 70
60.00
T3 70
55.00
T4 70
50.00
T5 70
45.00
T6 27
40.00
T7 27
35.00
T8 27
30.00
T9 27
25.00
T10 27
20.00
T aire
15.00
10.00
5.00
Hora
14.44 h
14.24 h
14.04 h
13.44 h
13.24 h
13.01 h
12.41 h
12.21 h
12.01 h
11.41 h
11.12 h
10.52 h
10.32 h
9.42 h
10.12 h
9.22 h
9.02 h
8.45 h
0.00
8.15 h
Temperaturas [°C]
75.00
VIII. Costos de la casa solar activa:
550.00
500.00
450.00
Gastos casa solar
Materiales y trabajo
400.00
350.00
300.00
U SD
250.00
200.00
150.00
100.00
50.00
I n s t . e le c t r ic a
Fogón
I n s t . S a n it a r ia
P is o s
P u e r ta s y
V e n t.
Techo
F a ls o t e c h o
0.00
M u ro s
- El costo de una vivienda es un aspecto
básico para la sostenibilidad de un tal proyecto
- Construcción de una vivienda cómoda
- Una vivienda implementada con todo tipos de
conforts para llevar adelante una vida digna
- La sierra peruana es uno de los lugares
climatológicos más difíciles del mundo
- Sequías, fuertes lluvias, granizadas, fuertes
vientos, relámpagos
- Diferencias de temperaturas entre el día y la
noche de alrededor de 50[K]
- 170 días de trabajo de los cuales 30 días
efectuados por un “experto” local
- El techo (maderas y calaminas) es la inversión
más fuerte
- Posibilidad de techo en paja?
- El SFD también eleva bastante los costos
- Costo total para materiales y trabajo no superior
a los 2’300.2’300.-USD
E. Imágenes
F. Conclusiones y
agradecimientos
Gracias a este trabajo estamos convencidos, y las mediciones lo demuestran,
que hemos logrado presentar una vivienda solar activa, adecuada al medio rural de la sierra
peruana bajo diferentes aspectos:
En una vivienda de este tipo con integradas las diferentes tecnologías
tecnologías renovables estamos
seguros que una familia se puede desarrollar de manera sana y harmoniosa.
harmoniosa.
Mirando a una inversión por de bajo de los 2’500.2’500.-USD podemos decir que se ha logrado
una casa cómoda, acogedora, saludable que permite y fomenta la comunicación
comunicación entre los
diferentes miembros de una familia sin recurrir a una inversión demasiado elevada.
Con este proyecto esperamos despertar la atención de diferentes instituciones que trabajan
apoyando a las personas que más necesitan y que quieren salir adelante
adelante simplemente con
nuevas ideas y opciones para una mejor y digna vida
Agradezco a todo el equipo técnico del Taller Inti de Espinar como
como también a mi esposa y mi
hija por la paciencia y el amor que me han regalado.
Taller Inti,
Inti, Espinar Cusco noviembre de 2006
Ing. Luciano Ré